硬質(zhì)合金與M42高速鋼的激光釬焊組織及性能

尚曉峰，鄧衛(wèi)東，王志堅(jiān)，2，李 喆，羅 帥

(1.沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧沈陽110136;2.中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧沈陽110016)

1 引言

硬質(zhì)合金以其高硬度、高強(qiáng)度、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高性能復(fù)雜刀具中［1－2］。由于硬質(zhì)合金刀具成本高、制造加工困難，利用焊接方法將硬質(zhì)合金與報(bào)廢、破損的刀具連接起來，特別是對復(fù)雜刀具的修復(fù)，在提高加工質(zhì)量和效率的同時(shí)，還能有效降低制造成本，為企業(yè)節(jié)約大量的材料與資金，獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益［3－4］。

但硬質(zhì)合金與鋼的熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等物化性能差異較大，冶金互溶性差，采用熔焊的方法很難得到性能良好的接頭組織，而激光的能量、光斑大小和作用位置精確可控［5－7］，利用激光釬焊的方法可有效的實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金與鋼的連結(jié)。本文以黃銅粉末為釬料，選取合適的激光工藝參數(shù)進(jìn)行高速鋼與硬質(zhì)合金的激光釬焊試驗(yàn)，觀察分析釬焊接頭的微觀組織，并測得接頭組織的顯微硬度，分析不同激光工藝參數(shù)對接頭顯微組織及性能的影響。

2 試驗(yàn)材料與工藝方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)基材為W2Mo9Cr4VCo8(M42)高速鋼，熔點(diǎn)約為1520℃，尺寸為30mm×20mm×3mm;激光釬焊接頭部分為含Co8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的WC+8Co(YG8)硬質(zhì)合金，熔點(diǎn)約為2600℃，尺寸為30mm×10mm×3mm。由于Cu塑性較好，能有效吸收釬焊產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力［8］，實(shí)驗(yàn)選用 200 目 H62［9］黃銅粉末作為釬料，熔點(diǎn)約為934℃，其主要成分如表 1所示。

表1 H62黃銅粉末的主要成分(wt/%)

2.2 工藝方法

基材準(zhǔn)備時(shí)，為使釬料能更好地滲透到焊縫中，用線切割先將高速鋼基體和硬質(zhì)合金切出約5°傾角的坡口，并打磨去除氧化層，然后用丙酮洗凈。激光釬焊試驗(yàn)利用DL－HL－T5000B型5kW橫流CO2激光器在ZKXT－300型臥式真空系統(tǒng)中進(jìn)行，通氬氣保護(hù)。在試驗(yàn)過程中，釬料干燥后通過擺針刮吸式送粉器、四孔式同軸送粉噴嘴實(shí)現(xiàn)同軸送粉。

利用日立S－3400N掃描電子顯微鏡(SEM)觀察釬焊接頭的微觀組織形貌，接頭組織成分采用掃描電子顯微鏡所附能譜儀(EDS)測定，采用HX－1000數(shù)顯顯微硬度計(jì)測定接頭組織的顯微維式硬度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

激光釬焊過程中，當(dāng)離焦量為負(fù)時(shí)，光粉可充分耦合，熔池散熱條件較好，熔凝組織硬度最高，離焦量增大或者減小都使硬度的降低，熔凝組織的硬度在較小負(fù)離焦?fàn)顟B(tài)下達(dá)到最大值［10］。故本試驗(yàn)均采用負(fù)離焦量(△f=－3mm)，送粉量為1.2 g/min，通過改變掃描速度、激光功率等激光工藝參數(shù)分A、B兩組進(jìn)行試驗(yàn)，主要工藝參數(shù)如表2所示。

表2 激光釬焊試驗(yàn)工藝參數(shù)選用

3.1 釬焊接頭的微觀組織

A試驗(yàn)組激光工藝參數(shù):離焦量△f=－3mm、激光功率P=1100 W，不同掃描速度釬焊接頭的微觀組織如圖1所示。

圖1 不同掃描速度的接頭微觀組織(1000×)

由圖1，掃描速度為7 mm/s時(shí)的接頭組織較好，黃銅粉末與硬質(zhì)合金和高速鋼形成了良好的冶金結(jié)合，釬焊組織兩側(cè)無缺陷;圖1(a)、(c)掃描速度為5 mm/s、9 mm/s時(shí)，釬焊組織均出現(xiàn)裂紋、氣孔及融合不良等缺陷。主要原因:激光功率一定，掃描速度較小時(shí)，輸入的能量密度較大，釬焊過程中高熱能使激光熔池對流加劇致使硬質(zhì)合金和高速鋼中的Co相氣化散失，易產(chǎn)生氣孔、微裂紋等組織缺陷，如圖1(a);隨著掃描速度的增大，激光能量密度減小，熔池溫度梯度增大，由于各材料的性能差異較大，熔池凝固速度過大而導(dǎo)致傳熱不均，凝固組織存在較大內(nèi)應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂紋，且Cu與母材結(jié)合處易出現(xiàn)融合不良現(xiàn)象，如圖1(c)所示。

B試驗(yàn)組激光工藝參數(shù):離焦量△f=－3mm、掃描速度v=7 mm/s，觀察不同激光功率對釬焊接頭微觀組織的影響，如圖2所示。

圖2 不同激光功率的接頭微觀組織(3000×)

3.2 接頭組織能譜分析

圖3是激光工藝參數(shù)為△f=－3 mm、P=1100 W、v=7 mm/s時(shí)，對接頭組織進(jìn)行的EDS分析。

圖3 接頭組織EDS分析

圖2(a)中可看出，激光功率為800 W時(shí)，由于激光功率較小、能量密度較低，熔池凝固過快、溫度梯度過大而產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，黃銅與硬質(zhì)合金之間有明顯的裂紋，高速鋼一側(cè)碳溶于α－Fe中并以晶內(nèi)夾雜物為形核核心形成針狀鐵素體，降低組織強(qiáng)度、硬度，Cu與母材未形成良好的冶金結(jié)合。圖 2(b)、(c)中激光功率為 1100 W、1500 W時(shí)，焊縫組織為性能較好的等軸組織，無明顯缺陷，Cu與硬質(zhì)合金和高速鋼均有不同程度的互熔，形成良好的冶金結(jié)合。激光能量密度增大，硬質(zhì)合金白色WC相有長大趨勢，深暗色粘結(jié)Co相的含量增加，有利于提高接頭組織的韌性;高速鋼一側(cè)有網(wǎng)狀碳化物存在，由于組織過熱，奧氏體沿晶界析出并結(jié)成網(wǎng)，強(qiáng)度降低、韌性和塑性提高。圖2(d)激光功率為1800 W時(shí)，母材與Cu滲透性較好，但由于能量密度過大，劇烈的熔池對流使得硬質(zhì)合金和高速鋼中的Co相大量散失，易產(chǎn)生氣孔、裂紋。

由圖3(b)、(c)對母材的近焊縫處進(jìn)行EDS能譜分析得出:A處硬質(zhì)合金，除自身的W、Co元素，還含有 Cu、Cr、Mo、Fe、Ti等元素，表明 Cu 和 M42 高速鋼的部分合金元素與YG8硬質(zhì)合金互溶，其中含有Ti元素，是由于試驗(yàn)過程中送粉器內(nèi)殘留的微量試驗(yàn)用Ti粉不能完全清除，摻雜于釬料黃銅粉末中而無法避免;B處高速鋼一側(cè)，含有M42高速鋼自身元素以外的Cu、Ti元素(原因同上)，說明Cu與高速鋼相互滲透，形成良好的冶金結(jié)合。

3.3 顯微硬度

采用HX－1000數(shù)顯顯微硬度計(jì)測定試樣釬焊截面顯微維氏硬度，測量載荷為5 kg，加載時(shí)間為15 s。測量方法:沿釬焊組織截面中心線方向，依次分隔13個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域取3個(gè)測試點(diǎn)并計(jì)算結(jié)果平均值，將結(jié)果繪制成顯微硬度分布曲線，如圖4所示。

圖4 不同激光工藝參數(shù)釬焊截面的顯微硬度曲線

圖4(a)中顯示，激光功率P=1100 W時(shí)接頭組織的平均顯微硬度最大(平均值為951.7 HV)，且熱影響區(qū)的顯微硬度變化趨緩，組織性能良好。激光功率為800 W時(shí)，由于能量密度小，母材與Cu沒有互溶，接頭組織(4～6測試點(diǎn))的顯微硬度較小，平均顯微硬度為719 HV;激光功率為1100 W、1500 W和1800 W時(shí)，接頭組織的顯微硬度變化趨同，平均顯微硬度為951.7 HV、866.3 HV 和 850.7 HV，在高速鋼一側(cè)硬度略高，原因是激光釬焊熔池的快速凝固相當(dāng)于激光淬火，使硬度值增大，但熱影響區(qū)(7～9測試點(diǎn))的顯微硬度隨激光功率增大而減小，顯微硬度平均值分別為779 HV、689 HV和637.3 HV。

圖4(b)為不同掃描速度下截面的顯微硬度曲線，掃描速度v=7 mm/s時(shí)，接頭組織及熱影響區(qū)的平均顯微硬度均最大，顯微硬度平均值分別為941.7 HV、778 HV，且Cu與母材互溶性較好，顯微硬度變化最小。掃描速度v=5 mm/s時(shí)，能量密度較大，母材組織中Co大量散失而使顯微硬度偏高，但在高速鋼一側(cè)Cu較多滲入母材組織中而使顯微硬度降低;掃描速度為9 mm/s時(shí)熔池的凝固速度過快，導(dǎo)致硬質(zhì)合金和高速鋼與Cu互溶較差，造成接頭組織的顯微硬度偏低。

4 結(jié)論

(1)掃描速度為7 mm/s時(shí)，輸入的能量密度合適，使Cu與WC等能夠充分互溶，且Co未大量散失，接頭組織的焊接質(zhì)量較好。掃描速度過大、過小均出現(xiàn)組織缺陷。

(2)激光功率為1100 W時(shí)，釬焊接頭組織無明顯缺陷。硬質(zhì)合金組織WC相有長大趨勢，深暗色Co相的含量增加，韌性提高;高速鋼組織奧氏體沿晶界析出結(jié)成網(wǎng)狀碳化物，韌性和塑性提高。

(3)激光工藝參數(shù):△f=－3 mm、P=1100 W、v=7 mm/s，接頭組織為等軸組織，無裂紋、氣孔及融合不良等缺陷，釬焊接頭性能較好。

(4)在結(jié)論(3)的激光參數(shù)下，對接頭組織進(jìn)行EDS分析，硬質(zhì)合金和高速鋼組織中含有Cu、Co、Mo、Cr、Fe等元素，釬料與母材滲透良好，形成良好的冶金結(jié)合;顯微硬度變化最小，且與其他工藝參數(shù)相比，接頭組織及熱影響區(qū)的平均顯微硬度最大，分別為 941.7 HV、778 HV。

［1］ Zhang Wenyu.Latest development of coated cemented carbide tools［J］.Rare Metals and Cemented Carbides 2008，36(1):59 －63.(in Chinese)張文毓.硬質(zhì)合金涂層刀具研究進(jìn)展［J］.稀有金屬與硬質(zhì)合金，2008，36(1):59 －63.

［2］ Liu Yong.Application and development prospect of hard alloy［J］.China Metal Bulletin，2010，31:36 － 37.(in Chinese)劉詠.硬質(zhì)合金應(yīng)用與發(fā)展前景［J］.中國金屬通報(bào)，2010，31:36 －37.

［3］ Chen Guoqing，Zhang Binggang，Wu Zhenzhong，et al.Research status on welding of cemented carbide to steel［J］.Cemented Carbide，2012，29(6):387 － 392.(in Chinese)陳國慶，張秉剛，吳振中，等.硬質(zhì)合金與鋼焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀［J］.硬質(zhì)合金，2012，29(6):387 －392.

［4］ Zhu Jinglei，Huang Jihua，Zhang Hua，et al.Progress in research on welding of cemented carbide with steel［J］.Welding ＆ Joining，2008，2:15 －19.(in Chinese)朱警雷，黃繼華，張華，等.硬質(zhì)合金與鋼異種金屬焊接的研究進(jìn)展［J］.焊接，2008，2:15 －19.

［5］ Xiao Rongshi，Dong Peng，Zhao Xudong.Progress in laser fusion welding － brazing of dissimilar Alloys［J］.Chinese Journal of Lasers，2011，38(6):0601004.1 －7.(in Chinese)肖榮詩，董鵬，趙旭東.異種合金激光熔釬焊研究進(jìn)展［J］.中國激光，2011，38(6):0601004.1 －7.

［6］ Won －Bae Lee，Byoung － Dae Kwon，Seung － Boo Jung，et al.Effects of Cr3C2on the microstructure and mechanical properties of the brazed joints between WC－Co and carbon steel［J］.International Journal of Refractory Metals＆ Hard Materials，2006，24(3):215 －221.

［7］ Lee WB，Kwon BD，Jung S B.Effect of bonding time on joint properties of vacuum brazed WC－Co hard metal/carbon steel using stacked Cu and Ni alloy as insert metal［J］.Mater Sci Technol，2004，Vol.20(2):1474 －1478.

［8］ Ge Yangang，Zhang Xudong，Liu Wen － jin，et al.Microstructure of laser beam brazing joint of YG8 cemented carbide［J］.Applied Laser，1999，19(5):282 － 284.(in Chinese)葛廷剛，張旭東，劉文今，等.YG8硬質(zhì)合金激光釬焊接頭顯微組織的研究［J］.應(yīng)用激光，1999，19(5):282 －284.

［9］ Wang Di，Yang Yongqiang，Shi Wenqing.Investigation on laser welding process and structure characteristics of H62 copper［J］.Applied Laser，2009，6:203 － 206.(in Chinese)王迪，楊永強(qiáng)，師文慶.H62黃銅激光焊接工藝與組織特征研究［J］.應(yīng)用激光，2009，6:203 －206.

［10］ Shi Gaolian，Shi Shihong，Zhang Jia.The influence of defocusing amount of hollow beam on the quality of single cladding channel［J］.Applied Laser，32(6):505 － 509.(in Chinese)石皋蓮，石世宏，張甲.中空光離焦量對單熔道質(zhì)量的影響［J］.應(yīng)用激光，2012，32(6):505 －509.